(57)【要約】【課題】  装置の波長を複数化し、且つ可視光とするとともに、装置の高効率化を実現し、小型パッケージ化が可能で、高出力且つ安価な半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。【解決手段】  励起光源である半導体レーザアレイ素子により固体レーザ材料を励起し、光共振器によりレーザ出力を得る半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、個体レーザ材料は、端面を光共振器として利用したマイクロチップレーザ構成であり、半導体レーザアレイ素子は、固体レーザ材料のレーザ出力方向と直交する方向からレーザ光を励起する構成であり、固体レーザ材料及び半導体レーザアレイ素子は、同一の実装基板上に配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源である半導体レーザアレイ素子により固体レーザ材料を励起し、光共振器によりレーザ出力を得る半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、
前記個体レーザ材料は、端面を光共振器として利用したマイクロチップレーザ構成であり、
前記半導体レーザアレイ素子は、前記固体レーザ材料のレーザ出力方向と直交する方向からレーザ光を励起する構成であり、
前記固体レーザ材料及び前記半導体レーザアレイ素子は、同一の実装基板上に配置されることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項２】
前記固体レーザ材料は、前記同一の実装基板上に複数備えられ、前記マイクロチップレーザ構成から出力されるレーザ波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項３】
前記個体レーザ材料は、一の固体レーザ材料に対してマイクロチップレーザ構成が複数備えられ、該複数のマイクロチップレーザ構成から出力されるレーザ波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項４】
前記固体レーザ材料は、レーザ発振に必要な添加物が添加された領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域と、を有する複合固体レーザ材料であることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項５】
前記複合固体レーザ材料は、同一単結晶材料から形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項６】
前記複合固体レーザ材料は、同一セラミックス材料から形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項７】
前記複合固体レーザ材料は、前記レーザ発振に必要な添加物が添加された領域が単結晶材料であり、前記レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域がセラミックス材料であり、同一材料もしくは異種材料であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項８】
前記複合固体レーザ材料は、レーザ発振に必要な添加物が添加された領域がセラミックス材料であり、前記レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域が単結晶材料であり、同一材料もしくは異種材料であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項９】
前記マイクロチップレーザ構成からの出力光は、前記半導体レーザアレイ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記半導体レーザアレイ素子を複数有し、
前記マイクロチップレーザ構成からの出力光は、前記複数の半導体レーザアレイ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１１】
前記マイクロチップレーザ構成の出力光路中に、波長を変換する非線形光学素子を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１２】
前記非線形光学素子は、擬似位相整合型の波長変換素子であることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１３】
前記擬似位相整合型の波長変換素子は、前記マイクロチップレーザからの出力光に対して波長変換が可能な領域を有する、一の素子であることを特徴とする請求項１２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１４】
前記マイクロチップレーザから出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色のうち少なくとも２色以上であることを特徴とする請求項２から１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１５】
前記固体レーザ材料は、結晶軸による吸収係数や誘導放出断面積が異なる材料であり、固体レーザ特性として、直線偏光を出力できる材料であることを特徴とする請求項１から５、７、９から１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１６】
前記半導体レーザレイ素子から出力される励起光の偏光方向と、前記固体レーザ材料の吸収係数の大きな結晶軸方向が一致しており、かつ、前記実装基板の基板面に対して平行方向とすることを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項１７】
前記半導体レーザレイ素子から出力される励起光の固体レーザ材料への入射方向は、該固体レーザ材料を挟んで対向する２方向であることを特徴とする請求項１６記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ装置に関し、詳細には、レーザプリンタ、レーザスキャンディスプレイ、レーザを用いたプロジェクタ等に適用可能であり、異なる複数の波長の発振を可能にする、半導体レーザ励起波長変換型固体レーザを含む半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を利用した装置として、光ディスク装置やレーザプリンタ、レーザ計測器などの製品が実用化されている。また、将来的な実用化を目指し、レーザディスプレイ等も開発、検討が進められている。このような応用に対しては、レーザ光源の短波長化の要求や、色の三原色（赤、青、緑色）光源などの要求がある。これらの要求に対しては、半導体レーザ素子の開発や波長変換レーザの開発が進められている。特に、高出力（〜１０Ｗ程度）のレーザ光源を必要とする応用に対しては、固体レーザを用いた波長変換光源が適しており、様々な研究機関が開発に取り組んでいる。
【０００３】
レーザディスプレイ等の応用を考えた場合には、レーザ光源の小型化は不可欠であり、さらに色の三原色波長のレーザ出力を持つ、高輝度な光源が理想である。また、その出力は高出力のものほど良く、広い応用が考えられる。また、プロジェクタなどの投影型光学系では、三原色の光源は光軸を極力合致させる事が、光学的に有効であるため、発光点は近接している事が良い。また、レーザ価格に関しても、なるべく安価で提供できる装置であることが望ましい。
【０００４】
高輝度なレーザ光源としては固体レーザが有効であるが、これについて以下のような従来例がある。
【０００５】
第一従来例として、特許文献１を示す。第一従来例は固体レーザのアレイ化によって、高出力光源を得る発明である。これはマイクロチップレーザ構成をアレイ化したものであるが、Ｎｄを全面に添加した単一の単結晶を用い、サファイア板によって端面からのみ放熱を実施している為、高出力化の際には放熱に限界があり、大きな出力を得ることが難しい。また、高出力を得る場合にもレーザ個数を増加させなければならない為、装置が大型化してしまう。
【０００６】
第二従来例として、特許文献２を示す。第二従来例は固体レーザの高出力化の為に、ディスク状のレーザ結晶内に希土類を添加した領域を設け、側面より半導体レーザによる励起する構成とし、効率的なレーザ結晶の放熱を実施することにより、高出力化を実現している。しかしながら、レーザ出力鏡を用いている為、装置の小型化ができないことや、希土類を添加した領域に対して選択的に励起光を照射しなくてはならないため、励起光の光学系や、レーザ結晶の形状に複雑な要素が入ってくる。その為、安価な装置として作製することが難しい。
【０００７】
第三従来例として、特許文献３を示す。第三従来例も固体レーザの高出力化の為に、ディスク状のレーザ結晶を用い、効率的なレーザ結晶の放熱を実施することにより、高出力化を実現している。しかしながら、第三従来例においてもレーザ出力鏡を用いている為、装置の小型化ができない事や、ディスク状のレーザ結晶全体を励起している構成であるため、波長変換を実施する構成にした際には、変換効率が高くできない。また、側面からの励起を実施した際には、ディスク状のレーザ結晶全体を励起している構成であるために、レーザ結晶中のレーザ発振領域と励起領域の重なり（モードマッチング効率）が大きくできない為、レーザの効率を大きくできない。また、この欠点を改善する為にディスク状のレーザ結晶を中心部分に希土類の添加されたコア部分を設けることで、解消もできるが、励起光を全方位から実施していることや、レーザ結晶と励起用光源が分離されているために、小型化が困難な構成となっている。
【０００８】
以上、単一波長の固体レーザ光源に関する従来例を示したが、次に他波長のレーザ光源についての従来例を示す。
【０００９】
第四従来例として、特許文献４を示す。第四従来例は面発光型半導体レーザレイの発明であり、アレイ光源の各素子の波長を変化させている例である。第四従来例の様な構成では、各レーザ光源が面発光型レーザであるため、出力に対して限界があるだけでなく、ハ゛ント゛キ゛ャッフ゜により限定される波長域のみの多波長化となり、波長域がかなり狭い光源となってしまい、プロジェクタ等には適応できない。
【００１０】
第五従来例として、特許文献５を示す。第五従来例はプロジェクタ等に使用される、三原色光源に対する発明であり、それぞれの色に対応する波長の面発光レーザを基板上に実装し、光源を提供するものである。これに関しては、三原色の波長を出力することは可能となっているが、一つの光源からの出力は半導体レーザである為、現状では出力に限界があり、実装する個数によってのみ出力増加の対応をするしかなく、光源構成が複雑になることや、発光点が多数存在し、光学系の設計が複雑なものになるなどの問題がある。
【００１１】
このように、小型で高出力、且つ高輝度なレーザ光源は、発明されていないのが現状である。また、その価格に関しても構成上、低価格化可能な構成も発明されていない。また、複数波長を同時出力可能で、且つ発光点が同一装置内に存在し、近接したレーザ光源は発明されていないのが現状であり、この様なレーザ光源が要望されている。
【特許文献１】特開平８−３０７０１７号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１５８５号公報
【特許文献３】米国特許第５５５３０８８号明細書
【特許文献４】特開２０００−５８９５８号公報
【特許文献５】特開平７−２２７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、半導体レーザ励起固体レーザ装置において、装置の波長を複数化し、且つ可視光とするとともに、装置の高効率化を実現し、小型パッケージ化が可能で、高出力且つ安価な半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することである。
【００１３】
より具体的な目的の一つは、半導体レーザ励起固体レーザ装置において、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源を半導体レーザレイ素子とすることで高出力の励起を実現し、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現することを目的としている。且つ、固体レーザ材料と半導体レーザレイ素子が同一実装基板上に配置、実装されていることによって、装置の組立や実装が自動化できる構成とすることで、安価な装置を提供できることが可能な構成を目的としている。上記の様な構成を採用することにより、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を目的としている。
【００１４】
また、この目的を実現する上で、マイクロチップレーザ構成の固体レーザ材料が複数個であり、それぞれの波長が異なることで、装置の複数波長出力を達成することを目的としている。
【００１５】
同様に、単体の固体レーザ材料にマイクロチップレーザ構成を複数構成し、それぞれの波長が異なることで、装置の複数波長出力と部品点数の削減による、材料コストの削減と組立工程数の削減による低価格化を達成することを目的としている。
【００１６】
さらに、これらの目的を実現する上で、固体レーザ材料を、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域とを持つ複合固体レーザ材料構成とすることで、励起による固体レーザ材料部分の発熱を周辺に放熱させることができることと、レーザ発振領域を限定することができることによる、モードマッチング効率の向上による、レーザ出力の高出力化を目的としている。
【００１７】
また、この目的を実現するため上で、半導体レーザ励起固体レーザ装置における複合固体レーザ材料が、同一単結晶材料とすることで、単結晶でのレーザ効率と同様で材料による損失などの影響が少なく、レーザ品質の劣化が少ないレーザ出力を達成することを目的としている。
【００１８】
同様に、半導体レーザ励起固体レーザ装置における複合固体レーザ材料が、同一セラミックス材料とすることで、材料の大量生産が可能で量産効果が見込め、材料特性が均一なものが得られることで、材料価格が低価格で固体差の少ないレーザ出力を達成することを目的としている。
【００１９】
同様に、半導体レーザ励起固体レーザ装置における複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域が単結晶材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域がセラミックス材料であり、同一材料、もしくは異種材料であることで、レーザ発振に直接寄与する領域は単結晶の特性を用いることでレーザ品質の劣化を防ぎ、材料自体は周辺をセラミックス化することで低価格化することが可能になることで、品質と低価格化の両立を目的としている。
【００２０】
同様に、請求項４の半導体レーザ励起固体レーザ装置における複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域がセラミックス材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域が単結晶材料であり、同一材料、もしくは異種材料であることで、セラミックス材料特有の特性（発振効率の向上など）を使用することができ、且つ放熱に有利な結晶を周辺材料として使用することができる為、レーザ特性の向上と熱的な安定性を向上することを目的としている。
【００２１】
さらに、これらの目的を実現するために、マイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、それぞれのマイクロチップレーザに対応した励起用の半導体レーザ素子を用意することなく共通化でき、且つ共通の半導体レーザ素子を使用することで、励起光出力が安定に動作することが可能となることで、部品コストの低価格化による低価格化と特性の安定化を目的にしている。
【００２２】
また、この目的を実現する上で、励起用のアレイ型半導体レーザ素子を複数個持ち、それぞれのマイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、励起光出力をさらに増加することを可能とし、装置の高出力化を目的としている。
【００２３】
これらの目的を実現する上で、各マイクロチップレーザの出力光路中に波長を変換することが可能な非線形光学素子を配置することで、レーザ出力光の波長変換を行うことができることによる、レーザ出力の可視光化を目的としている。
【００２４】
また、この目的を実現する上で、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子であることにより、非線形光学素子の長さを長くすることにより、波長変換効率を向上することが容易になることによる、装置の高効率化を目的としている。
【００２５】
また、この目的を実現する上で、擬似位相整合型の波長変換素子は、複数のマイクロチップレーザからの出力光に対して波長変換が可能な領域を持つ一つの素子であることにより、波長変換素子の数が一つで済み、波長変換素子のコストが安価になることと、部品点数が減少することにより、組立工程の減少が可能となることでの、装置の低価格化を目的としている。
【００２６】
また、これらの目的を実現する上で、出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色のうち２色以上であることにより、画像表示用機器やプリンタ等の機器への応用を目的としている。
【００２７】
また、これらの目的を実現する上で、固体レーザ材料は、結晶軸による吸収係数や誘導放出断面積が異なる材料であり、固体レーザ特性として、直線偏光を出力できる材料とし、励起光の吸収や発振効率が向上させることができることにより、装置の効率を向上させることを目的としている。
【００２８】
また、これらの目的を実現する上で、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の偏光方向と、固体レーザ材料の吸収係数の大きな結晶軸方向が一致しており、かつ実装基板の基板面に対して平行方向とすることで、励起光の吸収が大きくなり、レーザ出力に対する利用効率が向上させることができることによる、装置の効率向上を目的としている。
また、これらの目的を実現する上で、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の固体レーザ材料への入射方向は、レーザ材料を挟んで対向する２方向である事により、より多くの励起光パワーを利用することができる事による、装置の高出力化を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、励起光源である半導体レーザレイ素子により固体レーザ材料を励起し、光共振器によりレーザ出力を得る半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、個体レーザ材料は、端面を光共振器として利用したマイクロチップレーザ構成であり、半導体レーザレイ素子は、固体レーザ材料のレーザ出力方向と直交する方向からレーザ光を励起する構成であり、固体レーザ材料及び半導体レーザレイ素子は、同一の実装基板上に配置されることを特徴とする。その動作は、半導体レーザレイ素子から出力されたレーザ光が固体レーザ材料に入射し、固体レーザ材料に形成された光共振器により、レーザ発振が実現され、固体レーザ材料からレーザ出力が出射される。そのレーザ出力方向は、励起光の入射方向と直交した方向から出力される。
【００３０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、マイクロチップレーザ構成である固体レーザ材料が同一の実装基板上に複数備えられ、各マイクロチップレーザ構成から出力されるレーザ波長がそれぞれ異なることを特徴とする。その動作は、請求項１と同様であるが、請求項２では共振器に対応してレーザ出力光が複数本得られ、且つそれぞれの出力波長が異なる動作を行う。
【００３１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、一つの固体レーザ材料に対してマイクロチップレーザ構成が複数形成され、それぞれのマイクロチップレーザ構成から出力されるレーザ波長がそれぞれ異なることを特徴とする。その動作は、請求項２と同様である。
【００３２】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域と、を有する複合固体レーザ材料で構成されることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。その動作は、請求項２又は３と同様である。
【００３３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、複合固体レーザ材料は、同一単結晶材料から形成されていることを特徴とする。その動作は、請求項４と同様である。
【００３４】
請求項６記載の発明は、請求項４記載の発明において、複合固体レーザ材料が、同一セラミックス材料から形成されていることを特徴とする。その動作は、請求項４と同様である。
【００３５】
請求項７記載の発明は、請求項４記載の発明において、複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域が単結晶材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域がセラミックス材料であり、同一材料もしくは異種材料で構成されていることを特徴とする。その動作は、請求項４と同様である。
【００３６】
請求項８記載の発明は、請求項４記載の発明において、複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域がセラミックス材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域が単結晶材料であり、同一材料もしくは異種材料で構成されていることを特徴とする。その動作は、請求項４と同様である。
【００３７】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、マイクロチップレーザ構成からの出力光は、半導体レーザレイ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることを特徴とする。その動作は、請求項１から８と同様である。
【００３８】
請求項１０記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、半導体レーザレイ素子を複数有し、マイクロチップレーザ構成からの出力光は、複数の半導体レーザレイ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることを特徴とする。その動作は、請求項９と同様である。
【００３９】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載の発明において、マイクロチップレーザ構成の出力光路中に、波長を変換する非線形光学素子を有することを特徴とする。その動作は、レーザ光出力動作までは請求項１から１０と同様であるが、出力されたレーザ光は非線型光学素子による波長変換動作を行う。
【００４０】
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子で構成されることを特徴とする。その動作は、請求項１１と同様であるが、波長変換の動作が擬似位相整合により実施される動作を行う。
【００４１】
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の発明において、擬似位相整合型の波長変換素子は、マイクロチップレーザからの出力光に対して波長変換が可能な領域を有する、一の素子であることを特徴とする。その動作は、請求項１２と同様である。
【００４２】
請求項１４記載の発明は、請求項２から１３のいずれか１項に記載の発明において、マイクロチップレーザから出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色のうち少なくとも２色以上であることを特徴とする。その動作は、請求項２から１３と同様である。
【００４３】
請求項１５記載の発明は、請求項１から５、７、９から１４のいずれか１項に記載の発明において、固体レーザ材料は、結晶軸による吸収係数や誘導放出断面積が異なる材料であり、固体レーザ特性として、直線偏光を出力できる材料であることを特徴とする。その動作は、請求項１から５、７、９から１４と同様である。
【００４４】
請求項１６記載の発明は、請求項１５に記載の発明において、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の偏光方向と、固体レーザ材料の吸収係数の大きな結晶軸方向が一致しており、かつ実装基板の基板面に対して平行方向とすることを特徴とする。その動作は、請求項１５と同様である。
【００４５】
請求項１７記載の発明は、請求項１６に記載の発明において、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の固体レーザ材料への入射方向は、レーザ材料を挟んで対向する２方向であることを特徴とする。その動作は、請求項１６と同様である。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、半導体レーザ励起固体レーザ装置において、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を提供することが可能となる。また、装置の波長を複数化し、且つ可視光とすることも可能となり、装置の高効率化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００４８】
実施例１について図１を参照して説明する。図１（ａ）は本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、図１（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）をそれぞれ示した図である。
【００４９】
実施例１の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、構成部品実装用基板（実装基板）１１０、励起用半導体レーザレイ素子１２０、半導体レーザレイ素子用マイクロレンズ素子１３０、レーザ材料１４０、波長変換素子１５０から構成されている。
【００５０】
実装基板１１０は、窒化アルミの平板基板を用いており、そのサイズは50×50mmで厚みが5mmとしている。
【００５１】
半導体レーザレイ素子１２０は、出力が20W、波長が808nmの素子を使用し、実装基板１１０上に、図（ａ）に示すように２個実装されている。
【００５２】
マイクロレンズ素子１３０は、半導体レーザレイ素子１２から出力されるレーザ光を一点に集光可能なレンズを用いており、図１（ａ）に示すように各半導体レーザレイ素子１２０に対応して、合計２個実装されている。
【００５３】
レーザ材料１４０は、Ｎｄを1.0at%添加したＹＡＧ結晶であり、結晶厚みが0.5mmで直径3mmのディスク状結晶となっており、その構成は、図１（ｂ）に示すように、Ｎｄが添加されたφ０．５mm領域１４１と、Ｎｄが添加されていない領域１４２とから構成された材料であり、全体は単結晶から構成されており、図１（ａ）に示すように実装基板１１０上に実装されている。また、このレーザ材料１４０両端面には、誘電体による共振器コーティングが施してあり、実装基板１１０に接触している面は1064nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。これによりレーザ共振器を形成し、実装基板１１０と垂直方向にレーザ出力が可能な共振器（マイクロチップ構成）となっている。また、レーザ材料１４０の側面は鏡面研磨を施し、且つ、励起光である808nm対して低反射コーティングを施してあり、側面から各半導体レーザレイ素子１２０のレーザ光を入射させることが可能な構成としている。
【００５４】
波長変換素子１５０は、6.9μm周期で分極反転を形成した、MgOを添加したLiNbO3より構成している。これは1064nmに対する擬似位相整合条件を満たす素子であり、図１（ａ）に示すようにレーザ材料１４０のレーザ出力光路中に配置している。そのサイズは2mm×2mmの断面積を持ち、10mm長さの素子である。分極反転は断面積全体に渡って作製されている、バルク型の素子となっている。また、実装基板１１０の下部にはペルチェ素子を取りつけており（図示せず）、実装基板１１０全体より冷却や温度調節を実施している。
【００５５】
次に、実施例１の動作について説明する。
図１（ａ）に示すように、各半導体レーザレイ素子１２０から出力されたレーザ光は、各マイクロレンズ素子１３０を通過し、２方向からレーザ材料１４０に入射する。レーザ材料１４０に入射した半導体レーザレイ光（励起光）は、レーザ材料１４０の中心に構成されたＮｄ添加領域１４２によって吸収され、レーザ材料端面に構成された光共振器によってレーザ発振が行われ、実装基板１１０と垂直方向に波長1064nmのレーザ光が出射される。その際、レーザ材料１４０の周辺に配置された、Ｎｄを添加していない領域１４２では、励起光は吸収されずに中心部分のＮｄ添加領域１４１のみで吸収されるため、Ｎｄ添加領域１４１のみでレーザ発振が行われる。レーザ材料１４０から出射されたレーザ光は、その光路中に配置している波長変換素子１５０に入射し、第二高調波へ変換されるため、出力としては波長532nmのレーザ光１６０が出力されることになる。
【００５６】
以上のことから、実施例１においては、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源をアレイ型半導体レーザ素子とすることで高出力の励起を実現し、また、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで、レーザ材料の方熱を実装基板面と接触している領域から放熱を実施し、固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現している。且つ、固体レーザ材料とアレイ型半導体レーザ素子を同一実装基板上に配置、実装することによって、装置の組立や実装が自動化できる構成となり、安価な装置を提供できた。このように、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を達成できた。
【００５７】
より詳細には、装置構成部品が単一実装基板上に直接実装している構成とすることにより、余分なスペースを省くことができることで小型化装置が実現でき、実装方法が光ピックアップや半導体実装などの方式を採用する方法を利用することができるような構成となる為、従来の手作業によるアライメントなどの実装手法と比較し、安価で簡便な実装方式を採用でき、安価な装置を実現することができた。
【００５８】
また、構成部品はより広い面積の部分で実装基板へ直接実装されており、放熱や温度調節は実装基板からのみ実施していることにより、各構成部品の冷却効率を向上でき、熱制御が実装基板のみとなる為に制御が容易になり、熱安定性の高い装置が実現できた。
【００５９】
また、レーザ共振器構成を、レーザ材料端面を利用したマイクロチップ構成とし、レーザ材料側面より励起光を入射させていることにより、共振器の小型化による装置の小型化と、励起光の増加による高出力化が実現できた。
【００６０】
また、レーザ材料を複合材料とすることにより、レーザ共振領域を材料の中心付近とし、その横方向へも放熱が可能となる為に熱安定性が向上した。
【００６１】
また、レーザ材料を単結晶のみで構成している為、結晶品質によるレーザ特性の劣化を防ぐことにより、複合材料を用いない場合と同様の特性安定性を確保することができた。
【００６２】
また、レーザ共振器外部でレーザ出力光路中に擬似位相整合型の波長変換素子を配置することにより、波長領域が拡大でき、波長変換素子が安定に作製できる擬似位相整合構成である為、波長変換後のレーザ装置出力の安定度が向上した。
【実施例２】
【００６３】
実施例２について図２を参照して説明する。図２（ａ）は本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、図２（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）をそれぞれ示した図である。
【００６４】
実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、構成部品実装用基板２１０、励起用半導体レーザレイ素子２２０、半導体レーザレイ素子用マイクロレンズ素子２３０、レーザ材料２４０、波長変換素子２５０から構成されている。
【００６５】
実装基板２１０は、窒化アルミの平板基板を用いており、そのサイズは50×50mmで厚みが5mmとしている。
【００６６】
半導体レーザレイ素子２２０は、出力が30W、波長が808nmの素子を使用し、実装基板２１０上に、図２（ａ）に示すように、２個実装されている。
【００６７】
マイクロレンズ素子２３０は、半導体レーザレイ素子から出力されるレーザ光を３点に集光可能なレンズを用いており、図２（ａ）に示すように各半導体レーザレイ素子２２０に対応して、合計２個実装されている。
【００６８】
レーザ材料２４０は、Ｎｄを1.0at%添加したGdVO4結晶であり、結晶厚みが0.5mmで直径3mmのディスク状結晶となっている。その構成は、図２（ｂ）に示すように、Ｎｄが添加されたφ0.5mm領域２４１と、Ｎｄが添加されていない領域２４２とから構成された材料であり、全体は単結晶から構成されており、図２に示すように、レーザ出力波長２６（531.5nm）、波長２７（456nm）、波長２８（673nm）に対応し、合計３個が実装基板２１０上に励起光の偏光方向と材料のC軸を合わせて実装されている。また、レーザ材料２４０の両端面には、誘電体による共振器コーティングが施してあり、レーザ出力２６０に対応した材料は、実装基板２１０に接触している面は1063nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力２７０に対応した材料は、実装基板２１０に接触している面は912nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して99.9%の透過率を持ち、912nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力２８０に対応した材料は、実装基板２１０に接触している面は1346nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して99.9%の透過率を持ち、1346nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。これによりそれぞれのレーザ出力波長に対応した、レーザ共振器を形成し、実装基板２１０と垂直方向にレーザ出力２６０，２７０，２８０が可能な共振器となっている。また、レーザ材料２４０の側面は鏡面研磨を施し、且つ、励起光である808nm対して低反射コーティングを施してあり、側面から各半導体レーザレイ素子２２０のレーザ光を入射させることが可能な構成としている。
【００６９】
波長変換素子２５０は、レーザ出力２６０に対応した素子で6.9μm周期、レーザ出力２７０に対応した素子で4.2μm周期、レーザ出力２８０にそれぞれ対応した素子であり、12.9μm周期の分極反転を形成した、MgOを添加したLiNbO3より構成している。これは、それぞれのレーザ出力波長に対する擬似位相整合条件を満たす素子であり、図２（ａ）に示すようにレーザ材料のレーザ出力光路中に配置している。そのサイズは全て2mm×2mmの断面積を持ち、10mm長さの素子である。分極反転は断面積全体に渡って作製されている、バルク型の素子となっている。また、実装基板２１０の下部にはペルチェ素子を取りつけており（図示せず）、実装基板全体より冷却や温度調節を実施している。
【００７０】
次に、実施例２の動作について説明する。各半導体レーザレイ素子２２０から出力されたレーザ光は、各マイクロレンズ素子２３０を通過し、２方向から３つのレーザ材料２４０にそれぞれ入射する。それぞれのレーザ材料２４０に入射した半導体レーザレイ光（励起光）は、レーザ材料２４０の中心に構成されたＮｄ添加領域２４１によって吸収され、レーザ材料端面に構成された光共振器によってレーザ発振が行われ、実装基板２１０と垂直方向に波長1063nm、912nm、1346nmのレーザ光がそれぞれ出射される。その際、レーザ材料２４０の周辺に配置された、Ｎｄを添加していない領域２４２では、励起光は吸収されずに中心部分のＮｄ添加領域２４１のみで吸収されるため、Ｎｄ添加領域２４１のみでレーザ発振が行われる。レーザ材料２４０から出射されたレーザ光は、その光路中に配置している波長変換素子に入射し、第二高調波へ変換されるため、出力としては波長531.5nm、456nm、673nmのレーザ光が出力されることになる。
【００７１】
ここで、実施例２の動作における、偏光等の状況について、図１４を用いて説明する。ここでは、原理的な動作を説明するため、一色のレーザ部分のみを取りだした、原理図を用いている。固体レーザ材料はここでは、Ｎｄ：GdVO4結晶であり、ｃ軸方向により大きな吸収を持つ材料である。そのため、励起光である半導体レーザ光の偏光方向を固体レーザ材料のｃ軸と一致させ励起することで、より大きな吸収量が得られる。そのため、本実施例では、励起光偏光方向と固体レーザ材料ｃ軸を一致させている。また、励起光のパワーを増加するために、結晶に対して２方向からの励起を実施する。次に、励起された固体レーザ結晶は、光共振器によって誘導放出が行われ、レーザ発振に至る。ここで、図１４では、説明のために結晶の上部に共振器ミラーを別途設けた図を示している。発振に至ったレーザ光は、固体レーザ材料のc軸における誘導放出断面積が大きいため、ｃ軸に沿った直線偏光のレーザ光として出力される。ここで、共振器の外部に配置した波長変換のためのデバイスは、通常直線偏光を用いた場合に最も効率が得られるため、直線偏光入射によって理想的な波長変換効率を得ることができる。そのため、図１４に示すような、偏光方向の組み合わせが、より大きな効率を得るために重要な構成となる。
【００７２】
ここで、実施例２においては、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源をアレイ型半導体レーザ素子とすることで高出力の励起を実現し、また、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで、レーザ材料の方熱を実装基板面と接触している領域から放熱を実施し、固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現している。且つ、固体レーザ材料とアレイ型半導体レーザ素子を同一実装基板上に配置、実装することによって、装置の組立や実装が自動化できる構成となり、安価な装置を提供できた。このように、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を達成できた。
【００７３】
より詳細には、装置構成部品が単一実装基板上に直接実装している構成とすることにより、余分なスペースを省くことができることで小型化装置が実現でき、実装方法が光ピックアップや半導体実装などの方式を採用する方法を利用することができるような構成となる為、従来の手作業によるアライメントなどの実装手法と比較し、安価で簡便な実装方式を採用でき、安価な装置を実現することができた。
【００７４】
また、構成部品はより広い面積の部分で実装基板へ直接実装されており、放熱や温度調節は実装基板からのみ実施していることにより、各構成部品の冷却効率を向上でき、熱制御が実装基板のみとなる為に制御が容易になり、熱安定性の高い装置が実現できた。
【００７５】
また、レーザ共振器構成を、レーザ材料端面を利用したマイクロチップ構成とし、レーザ材料側面より励起光を入射させていることにより、共振器の小型化による装置の小型化と、励起光の増加による高出力化が実現できた。
【００７６】
また、マイクロチップレーザ構成の固体レーザ材料を複数個配置し、それぞれの発振波長が異なることで、装置の複数波長出力が可能となった。
【００７７】
また、レーザ材料を複合材料とすることにより、レーザ発振領域を材料の中心付近とし、その横方向へも放熱が可能となる為に熱安定性が向上した。つまり、固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域とを持つ複合固体レーザ材料構成を採用することで、励起による固体レーザ材料部分の発熱を周辺に放熱させることができることと、レーザ発振領域を限定することができることによる、モードマッチング効率の向上による、レーザ出力の高出力化が可能になった。
【００７８】
また、複合固体レーザ材料を、同一単結晶材料とすることで、端面励起構成での単結晶を用いた場合でのレーザ効率と同様で材料による損失などの影響が少なく、レーザ品質の劣化が少ないレーザ出力が可能になった。
【００７９】
また、マイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光を用い、それぞれのマイクロチップレーザに対応した励起用の半導体レーザ素子を用意することなく共通化でき、且つ、共通の半導体レーザレイ素子を使用することで、励起光出力が安定に動作することが可能となることで、部品コストの低価格化による低価格化と特性の安定化が可能になった。
【００８０】
また、励起用のアレイ型半導体レーザ素子を２個持ち、それぞれのマイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、励起光出力をさらに増加することを可能とし、装置の高出力化が可能になった。
【００８１】
また、各マイクロチップレーザの出力光路中に波長を変換することが可能な非線形光学素子を配置することで、レーザ出力光の波長変換を行うことができることによる、レーザ出力の可視光化が可能となった。
【００８２】
また、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子であることにより、非線形光学素子の長さを長くすることにより、波長変換効率を向上することが容易になることによる、装置の高効率化が可能になった。
【００８３】
また、出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色の２色以上であることにより、色の三原色を利用する画像機器への応用、すなわち、画像表示用機器やプリンタ等の機器への応用が可能になった。
【００８４】
また、固体レーザ材料は、結晶軸による吸収係数や誘導放出断面積が異なる材料であり、固体レーザ特性として、直線偏光を出力できるGdVO4結晶とし、励起光の吸収増加と、それに伴い発振効率が向上することで、装置の効率を向上することが可能となった。
【００８５】
また、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の偏光方向と、固体レーザ材料の吸収係数の大きな結晶軸方向が一致しており、かつ実装基板の基板面に対して平行方向とすることで、励起光の吸収が大きくなり、レーザ出力に対する利用効率が向上させることができることによる、装置の効率向上を達成した。
【００８６】
また、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の固体レーザ材料への入射方向は、レーザ材料を挟んで対向する２方向である事により、より多くの励起光パワーを利用することができる事による、装置の高出力化を達成した。
【実施例３】
【００８７】
実施例３について図３を参照して説明する。図３（ａ）は本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、図３（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）をそれぞれ示した図である。
【００８８】
実施例３の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、構成部品実装用基板３１０、励起用半導体レーザレイ素子３２０、半導体レーザレイ素子用マイクロレンズ素子３３０、レーザ材料３４０、波長変換素子３５０から構成されている。
【００８９】
実装基板３１０は、窒化アルミの平板基板を用いており、そのサイズは50×50mmで厚みが5mmとしている。
【００９０】
半導体レーザレイ素子３２０は、出力が30W、波長が808nmの素子を使用し、実装基板３１０上に、図３（ａ）に示すように、２個実装されている。
【００９１】
マイクロレンズ素子３３０は、半導体レーザレイ素子３２０から出力されるレーザ光を３点に集光可能なレンズを用いており、図３（ａ）に示すように各半導体レーザレイ素子３２０に対応して、合計２個実装されている。
【００９２】
レーザ材料３４０は、Ｎｄを3.0at%添加したＹＡＧセラミックスであり、結晶厚みが0.5mmで直径3mmのディスク状結晶となっている。その構成は、図３（ｂ）に示すように、Ｎｄが添加されたφ0.5mm領域３４１と、Ｎｄが添加されていない領域３４２とから構成された材料であり、全体はセラミックスから構成されており、図３（ａ）に示すように、レーザ出力波長２６（532nm）、波長２７（473nm）、波長２８（660nm）のそれぞれに対応し、合計３個が実装基板３１０上に実装されている。また、レーザ材料３４０両端面には、誘電体による共振器コーティングが施してあり、レーザ出力３６０に対応した材料は、実装基板３１０に接触している面は1064nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力３７０に対応した材料は、実装基板３１０に接触している面は946nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して99.9%の透過率を持ち、946nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力３８０に対応した材料は、実装基板３１０に接触している面は1320nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して99.9%の透過率を持ち、1320nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。これによりそれぞれのレーザ出力波長に対応した、レーザ共振器を形成し、実装基板３１０と垂直方向にレーザ出力が可能な共振器となっている。また、レーザ材料の側面は鏡面研磨を施し、且つ、励起光である808nm対して低反射コーティングを施してあり、側面から各半導体レーザレイ素子３２０のレーザ光を入射させることが可能な構成としている。
【００９３】
波長変換素子３５０は、レーザ出力３６０に対応した素子で6.9μm周期、レーザ出力３７０に対応した素子で4.2μm周期、レーザ出力３８０に対応した素子で12.9μm周期の分極反転を形成した、MgOを添加したLiNbO3より構成している。これは、それぞれのレーザ出力波長に対する擬似位相整合条件を満たす素子であり、図３（ａ）に示すように、各レーザ材料３４０のレーザ出力光路中に配置している。そのサイズは全て2mm×2mmの断面積を持ち、10mm長さの素子である。分極反転は断面積全体に渡って作製されている、バルク型の素子となっている。また、実装基板３１０の下部にはペルチェ素子を取りつけており（図示せず）、実装基板全体より冷却や温度調節を実施している。
【００９４】
次に、実施例３の動作について説明する。各半導体レーザレイ素子３２０から出力されたレーザ光は、各マイクロレンズ素子３３０を通過し、２方向から３つのレーザ材料に入射する。それぞれのレーザ材料に入射した半導体レーザレイ光（励起光）は、レーザ材料３４０の中心に構成されたＮｄ添加領域３４１によって吸収され、レーザ材料端面に構成された光共振器によってレーザ発振が行われ、実装基板３１０と垂直方向に波長1064nm、946nm、1320nmのレーザ光がそれぞれ出射される。その際、レーザ材料３４０の周辺に配置された、Ｎｄを添加していない領域３４２では、励起光は吸収されずに中心部分のＮｄ添加領域３４１のみで吸収されるため、Ｎｄ添加領域３４１のみでレーザ発振が行われる。各レーザ材料３４０から出射されたレーザ光は、その光路中に配置している波長変換素子３５０にそれぞれ入射し、第二高調波へ変換されるため、出力としては波長532nm、473nm、660nmのレーザ光が出力されることになる。
【００９５】
ここで、実施例３においては、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源をアレイ型半導体レーザ素子とすることで高出力の励起を実現し、また、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで、レーザ材料の方熱を実装基板面と接触している領域から放熱を実施し、固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現している。且つ、固体レーザ材料とアレイ型半導体レーザ素子を同一実装基板上に配置、実装することによって、装置の組立や実装が自動化できる構成となり、安価な装置を提供できた。このように、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を達成できた。
【００９６】
より詳細には、装置構成部品が単一実装基板上に直接実装している構成とすることにより、余分なスペースを省くことができることで小型化装置が実現でき、実装方法が光ピックアップや半導体実装などの方式を採用する方法を利用することができるような構成となる為、従来の手作業によるアライメントなどの実装手法と比較し、安価で簡便な実装方式を採用でき、安価な装置を実現することができた。
【００９７】
また、構成部品はより広い面積の部分で実装基板へ直接実装されており、放熱や温度調節は実装基板からのみ実施していることにより、各構成部品の冷却効率を向上でき、熱制御が実装基板のみとなる為に制御が容易になり、熱安定性の高い装置が実現できた。
【００９８】
また、レーザ共振器構成を、レーザ材料端面を利用したマイクロチップ構成とし、レーザ材料側面より励起光を入射させていることにより、共振器の小型化による装置の小型化と、励起光の増加による高出力化が実現できた。
【００９９】
また、マイクロチップレーザ構成の固体レーザ材料を複数個配置し、それぞれの発振波長が異なることで、装置の複数波長出力が可能となった。
【０１００】
また、固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域とを持つ複合固体レーザ材料構成を採用することで、励起による固体レーザ材料部分の発熱を周辺に放熱させることができることと、レーザ発振領域を限定することができることによる、モードマッチング効率の向上による、レーザ出力の高出力化が可能になった。
【０１０１】
また、複合固体レーザ材料を、同一セラミックス材料とすることで、材料の大量生産が可能で量産効果が見込め、材料特性が均一なものが得られることで、材料価格が低価格で固体差の少ないレーザ出力が可能になった。
【０１０２】
また、マイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光を用い、それぞれのマイクロチップレーザに対応した励起用の半導体レーザ素子を用意することなく共通化でき、且つ、共通の半導体レーザレイ素子を使用することで、励起光出力が安定に動作することが可能となることで、部品コストの低価格化による低価格化と特性の安定化が可能になった。
【０１０３】
また、励起用のアレイ型半導体レーザ素子を２個持ち、それぞれのマイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、励起光出力をさらに増加することを可能とし、装置の高出力化が可能になった。
【０１０４】
また、各マイクロチップレーザの出力光路中に波長を変換することが可能な非線形光学素子を配置することで、レーザ出力光の波長変換を行うことができることによる、レーザ出力の可視光化が可能となった。
【０１０５】
また、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子であることにより、非線形光学素子の長さを長くすることにより、波長変換効率を向上することが容易になることによる、装置の高効率化が可能になった。
【０１０６】
また、出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色のうち２色以上であることにより、色の三原色を利用する画像表示用機器やプリンタ等の機器への応用が可能になった。
【実施例４】
【０１０７】
実施例４について図４を参照して説明する。図４（ａ）は本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、図４（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）をそれぞれ示した図である。
【０１０８】
実施例４の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、構成部品実装用基板４１０、励起用半導体レーザレイ素子４２０、半導体レーザレイ素子用マイクロレンズ素子４３０、レーザ材料４４０、波長変換素子４５０から構成されている。
【０１０９】
実装基板４１０は、窒化アルミの平板基板を用いており、そのサイズは50×50mmで厚みが5mmとしている。
【０１１０】
半導体レーザレイ素子４２０は、出力が30W、波長が808nmの素子を使用し、実装基板４１０上に、図４（ａ）に示すように、２個実装されている。
【０１１１】
マイクロレンズ素子４３０は、半導体レーザレイ素子４２０から出力されるレーザ光を３点に集光可能なレンズを用いており、図４（ａ）のように各半導体レーザレイ素子４２０に対応して、合計２個実装されている。
【０１１２】
レーザ材料は、図４（ｂ）に示すような構成であり、結晶厚みが0.5mmで3mm×9mmのディスク状結晶となっている。その構成は、図４（ｂ）に示す４４１部分がＮｄを1.0at%添加したGdVO4単結晶であり、直径0.5mmの領域となっている。その周辺４４２は、無添加のＹＡＧセラミックスで光学的に透明な材料であり、図４（ａ）に示すように励起光の偏光方向と材料のC軸を合わせて実装基板４１０上に実装されている。また、レーザ材料４４０両端面には、誘電体による共振器コーティングが施してあり、その領域毎に、レーザ出力４６０（531.5nm）に対応した領域は、実装基板４１０に接触している面は1063nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力４７０（456nm）に対応した領域は、実装基板４１０に接触している面は912nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して99.9%の透過率を持ち、912nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力４８０（673nm）に対応した領域は、実装基板４１０に接触している面は1346nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1063nmに対して99.9%の透過率を持ち、1346nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。これによりそれぞれのレーザ出力波長に対応した、レーザ共振器を形成し、実装基板４１０と垂直方向にレーザ出力が可能な共振器となっている。また、レーザ材料４４０の側面は鏡面研磨を施し、且つ、励起光である808nm対して低反射コーティングを施してあり、側面から各半導体レーザレイ素子４２０のレーザ光を入射させることが可能な構成としている。
【０１１３】
波長変換素子４５０は、レーザ出力４６０に対応した素子で6.9μm周期、レーザ出力４７０に対応した素子で4.2μm周期、レーザ出力４８０に対応した素子で12.9μm周期の分極反転を形成した、MgOを添加したLiNbO3より構成している。これは、それぞれのレーザ出力波長に対する擬似位相整合条件を満たす素子であり、図４（ａ）に示すように各レーザ材料４４０のレーザ出力光路中に配置している。そのサイズは全て2mm×2mmの断面積を持ち、10mm長さの素子である。分極反転は断面積全体に渡って作製されている、バルク型の素子となっている。また、実装基板４１０の下部にはペルチェ素子を取りつけており（図示せず）、実装基板全体より冷却や温度調節を実施している。
【０１１４】
次に、実施例４の動作について説明する。各半導体レーザレイ素子４２０から出力されたレーザ光は、各マイクロレンズ素子４３０を通過し、２方向から３つのレーザ材料４４０にそれぞれ入射する。レーザ材料４４０に入射した半導体レーザレイ光（励起光）は、レーザ材料４４０の中央付近に構成されたＮｄ添加単結晶領域４４１によって吸収され、レーザ材料端面に構成された光共振器によってレーザ発振が行われ、実装基板４１０と垂直方向に波長1063nm、912nm、1346nmのレーザ光が出射される。その際、レーザ材料の周辺に配置された、Ｎｄを添加していないセラミックス領域４４２では、励起光は吸収されずに中心部分のＮｄ添加領域４４１のみで吸収されるため、Ｎｄ添加領域４４１のみでレーザ発振が行われる。レーザ材料４４０から出射された各レーザ光は、その光路中に配置している波長変換素子４５０にそれぞれ入射し、第二高調波へ変換されるため、出力としては波長531.5nm、456nm、673nmのレーザ光が出力されることになる。
【０１１５】
ここで、実施例４の動作における、偏光等の状況を、図１４を用いて説明する。ここでは、原理的な動作を説明するため、一色のレーザ部分のみを取りだした、原理図を用いている。固体レーザ材料はここでは、Ｎｄ：GdVO4結晶であり、ｃ軸方向により大きな吸収を持つ材料である。そのため、励起光である半導体レーザ光の偏光方向を固体レーザ材料のｃ軸と一致させ励起することで、より大きな吸収量が得られる。そのため、本実施例では、励起光偏光方向と固体レーザ材料ｃ軸を一致させている。また、励起光のパワーを増加するために、結晶に対して２方向からの励起を実施する。次に、励起された固体レーザ結晶は、光共振器によって誘導放出が行われ、レーザ発振に至る。ここで、図１４では、説明のために結晶の上部に共振器ミラーを別途設けた図を示している。発振に至ったレーザ光は、固体レーザ材料のc軸における誘導放出断面積が大きいため、ｃ軸に沿った直線偏光のレーザ光として出力される。ここで、共振器の外部に配置した波長変換のためのデバイスは、通常直線偏光を用いた場合に最も効率が得られるため、直線偏光入射によって理想的な波長変換効率を得ることができる。そのため、図１４に示すような、偏光方向の組み合わせが、より大きな効率を得るために重要な構成となる。
【０１１６】
ここで、実施例４においては、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源をアレイ型半導体レーザ素子とすることで高出力の励起を実現し、また、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで、レーザ材料の方熱を実装基板面と接触している領域から放熱を実施し、固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現している。且つ、固体レーザ材料とアレイ型半導体レーザ素子を同一実装基板上に配置、実装することによって、装置の組立や実装が自動化できる構成となり、安価な装置を提供できた。このように、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を達成できた。
【０１１７】
また、単体の固体レーザ材料にマイクロチップレーザ構成を複数構成し、それぞれの波長が異なることで、装置の複数波長出力と部品点数の削減による、材料コストの削減と組立工程数の削減による低価格化が可能になった。
【０１１８】
また、固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域とを持つ複合固体レーザ材料構成を採用することで、励起による固体レーザ材料部分の発熱を周辺に放熱させることができることと、レーザ発振領域を限定することができることによる、モードマッチング効率の向上による、レーザ出力の高出力化が可能になった。
【０１１９】
また、複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域が単結晶材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域がセラミックス材料であることで、レーザ発振に直接寄与する領域は単結晶の特性を用いることでレーザ品質の劣化を防ぎ、材料自体は周辺をセラミックス化することで低価格化することが可能になり、品質と低価格化の両立が可能になった。
【０１２０】
また、マイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光を用い、それぞれのマイクロチップレーザに対応した励起用の半導体レーザ素子を用意することなく共通化でき、且つ、共通の半導体レーザレイ素子を使用することで、励起光出力が安定に動作することが可能となることで、部品コストの低価格化による低価格化と特性の安定化が可能になった。
【０１２１】
また、励起用のアレイ型半導体レーザ素子を２個持ち、それぞれのマイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、励起光出力をさらに増加することを可能とし、装置の高出力化が可能になった。
【０１２２】
また、各マイクロチップレーザの出力光路中に波長を変換することが可能な非線形光学素子を配置することで、レーザ出力光の波長変換を行うことができることによる、レーザ出力の可視光化が可能となった。
【０１２３】
また、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子であることにより、非線形光学素子の長さを長くすることにより、波長変換効率を向上することが容易になることによる、装置の高効率化が可能になった。
【０１２４】
また、出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色の３色であることにより、画像表示用機器やプリンタ等の機器への応用が可能になった。
【０１２５】
また、固体レーザ材料は、結晶軸による吸収係数や誘導放出断面積が異なる材料であり、固体レーザ特性として、直線偏光を出力できるGdVO4結晶とし、励起光の吸収増加と、それに伴い発振効率が向上することで、装置の効率を向上することが可能となった。
【０１２６】
また、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の偏光方向と、固体レーザ材料の吸収係数の大きな結晶軸方向が一致しており、かつ実装基板の基板面に対して平行方向とすることで、励起光の吸収が大きくなり、レーザ出力に対する利用効率が向上させることができることによる、装置の効率向上を達成した。
【０１２７】
また、励起用半導体レーザレイ素子から出力される励起光の固体レーザ材料への入射方向は、レーザ材料を挟んで対向する２方向である事により、より多くの励起光パワーを利用することができる事による、装置の高出力化を達成した。
【実施例５】
【０１２８】
実施例５について図５を参照して説明する。図５（ａ）は本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、図５（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、図５（ｃ）は波長変換素子の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【０１２９】
実施例５の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、構成部品実装用基板５１０、励起用半導体レーザレイ素子５２０、半導体レーザレイ素子用マイクロレンズ素子５３０、レーザ材料５４０、波長変換素子５５０から構成されている。
【０１３０】
実装基板５１０は、窒化アルミの平板基板を用いており、そのサイズは50×50mmで厚みが5mmとしている。
【０１３１】
半導体レーザレイ素子５２０は、出力が30W、波長が808nmの素子を使用し、実装基板５１０上に、図５のように、２個実装されている。
【０１３２】
マイクロレンズ素子５３０は、半導体レーザレイ素子５２０から出力されるレーザ光を３点に集光可能なレンズを用いており、図５に示すように各半導体レーザレイ素子５２０に対応して、合計２個実装されている。
【０１３３】
レーザ材料５４０は、図５（ｂ）に示すような構成であり、結晶厚みが0.5mmで3mm×9mmのディスク状結晶となっている。その構成は、図５（ｂ）に示す５４１部分がＮｄを3.0at%添加したＹＡＧセラミックスであり、幅0.5mmの帯状の領域となっている。その周辺５４２は透明サファイアであり、図５（ａ）に示すように実装されている。また、レーザ材料５４０の両端面には、誘電体による共振器コーティングが施してあり、その領域毎に、レーザ出力５６０（532nm）に対応した領域は、実装基板５１０に接触している面は1064nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力５７０（463nm）に対応した領域は、実装基板５１０に接触している面は946nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して99.9%の透過率を持ち、946nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。また、レーザ出力５８０（660nm）に対応した領域は、実装基板５１０に接触している面は1320nmに対して高反射であり、その対向する端面は、1064nmに対して99.9%の透過率を持ち、1320nmに対して約5%の透過率を持つコーティングとしている。これによりそれぞれのレーザ出力波長に対応した、レーザ共振器を形成し、実装基板５１０と垂直方向にレーザ出力が可能な共振器となっている。また、レーザ材料５４０の側面は鏡面研磨を施し、且つ、励起光である808nm対して低反射コーティングを施してあり、側面から各半導体レーザレイ素子５２０のレーザ光を入射させることが可能な構成としている。
【０１３４】
波長変換素子５５０は、図５（ｃ）に示すように、レーザ出力５６０に対応した素子で6.9μm周期領域５５１、レーザ出力５７０に対応した素子で4.2μm周期領域５５２、レーザ出力５８０に対応した素子で12.9μm周期領域５５３の分極反転を領域毎に形成した、一つのMgOを添加したLiNbO3より構成している。これは、それぞれのレーザ出力波長に対する擬似位相整合条件を満たす素子であり、図５（ａ）に示すようにレーザ材料５４０のレーザ出力光路中に配置している。そのサイズは全て2mm×2mmの断面積を持ち、10mm長さの素子である。分極反転は断面積全体に渡って作製されている、バルク型の素子となっている。また、実装基板の下部にはペルチェ素子を取りつけており（図示せず）、実装基板全体より冷却や温度調節を実施している。
【０１３５】
次に、実施例５の動作について説明する。各半導体レーザレイ素子５２０から出力されたレーザ光は、各マイクロレンズ素子５３０を通過し、２方向からレーザ材料５４０に入射する。レーザ材料５４０に入射した半導体レーザレイ光（励起光）は、レーザ材料５４０の中央付近に構成されたＮｄ添加単結晶領域５４１によって吸収され、レーザ材料端面に構成された光共振器によってレーザ発振が行われ、実装基板５１０と垂直方向に波長1064nm、946nm、1320nmのレーザ光が出射される。その際、レーザ材料５４０の周辺に配置された、Ｎｄを添加していないセラミックス領域５４２では、励起光は吸収されずに中心部分のＮｄ添加領域５４１のみで吸収されるため、Ｎｄ添加領域５４１のみでレーザ発振が行われる。レーザ材料５４０から出射されたレーザ光は、その光路中に配置している波長変換素子５５０に入射し、第二高調波へ変換されるため、出力としては波長532nm、463nm、660nmのレーザ光が出力されることになる。
【０１３６】
ここで、実施例５においては、固体レーザ材料をマイクロチップ構成とすることで共振器を小型化し、励起光源をアレイ型半導体レーザ素子とすることで高出力の励起を実現し、また、固体レーザへの励起方向をレーザ出力方向と直交する方向とすることで、レーザ材料の方熱を実装基板面と接触している領域から放熱を実施し、固体レーザ材料の熱耐性を向上することで、小型、高出力の固体レーザ構成を実現している。且つ、固体レーザ材料とアレイ型半導体レーザ素子を同一実装基板上に配置、実装することによって、装置の組立や実装が自動化できる構成となり、安価な装置を提供できた。このように、小型パッケージ化可能な、高出力で、且つ安価な装置を提供することが可能な構成を達成できた。
【０１３７】
また、単体の固体レーザ材料にマイクロチップレーザ構成を複数構成し、それぞれの波長が異なることで、装置の複数波長出力と部品点数の削減による、材料コストの削減と組立工程数の削減による低価格化が可能になった。
【０１３８】
また、固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域と、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域とを持つ複合固体レーザ材料構成を採用することで、励起による固体レーザ材料部分の発熱を周辺に放熱させることができることと、レーザ発振領域を限定することができることによる、モードマッチング効率の向上による、レーザ出力の高出力化が可能になった。
【０１３９】
また、複合固体レーザ材料が、レーザ発振に必要な添加物が添加されているレーザ発振が可能な領域がセラミックス材料であり、レーザ発振に必要な添加物が添加されていない領域が単結晶材料であることで、セラミックス材料特有の特性（発振効率の向上など）を使用することができ、且つ放熱に有利な結晶を周辺材料として使用することができる為、レーザ特性の向上と熱的な安定性を向上することを目的としている。
【０１４０】
また、マイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光を用い、それぞれのマイクロチップレーザに対応した励起用の半導体レーザ素子を用意することなく共通化でき、且つ、共通の半導体レーザレイ素子を使用することで、励起光出力が安定に動作することが可能となることで、部品コストの低価格化による低価格化と特性の安定化が可能になった。
【０１４１】
また、励起用のアレイ型半導体レーザ素子を２個持ち、それぞれのマイクロチップレーザの励起光は、アレイ型半導体レーザ素子からのレーザ光を、光学素子を用いて分岐した励起光であることにより、励起光出力をさらに増加することを可能とし、装置の高出力化が可能になった。
【０１４２】
また、各マイクロチップレーザの出力光路中に波長を変換することが可能な非線形光学素子を配置することで、レーザ出力光の波長変換を行うことができることによる、レーザ出力の可視光化が可能となった。
【０１４３】
また、波長を変換することが可能な非線形光学素子は擬似位相整合型の波長変換素子であることにより、非線形光学素子の長さを長くすることにより、波長変換効率を向上することが容易になることによる、装置の高効率化が可能になった。
【０１４４】
また、擬似位相整合型の波長変換素子は、複数のマイクロチップレーザからの出力光に対して波長変換が可能な領域を持つ一つの素子であることにより、波長変換素子の数が一つで済み、波長変換素子のコストが安価になることと、部品点数が減少することにより、組立工程の減少が可能となることで、装置の低価格化が可能になった。
【０１４５】
また、出力されるレーザ光は、赤色、緑色、青色の３色であることにより、画像表示用機器やプリンタ等の機器への応用が可能になった。
【実施例６】
【０１４６】
本発明の実施例６を図６及び図７に基づいて説明する。本実施例は、多波長レーザ光源として適用される半導体レーザ励起固体レーザ装置への適用例を示し、図６はその原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図、図７はその固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【０１４７】
本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置１は、３つの半導体レーザ（励起用半導体レーザレイ素子）１１ａ〜１１ｃ、これらの半導体レーザ１１ａ〜１１ｃ毎のマイクロレンズ１２ａ〜１２ｃを有する集光用マイクロレンズ素子１２、単一の固体レーザ結晶（固体レーザ材料）１３及び非線形光学結晶（非線形光学素子、波長変換素子）１４により構成されている。単一の固体レーザ結晶１３に対しては後述するように各々発振波長条件を異ならせた３つの共振器１５ａ〜１５ｃが設けられている。
【０１４８】
ここに、半導体レーザ１１ａ〜１１ｃとしては単一ビーム発振で、波長８０８ｎｍ、出力約２Ｗの半導体レーザが用いられている。集光用マイクロレンズ素子１２は、石英により作製され、固体レーザ結晶１３の各共振器１５ａ〜１５ｃの中心付近に、ビームウエストがくるように集光を行うレンズとして構成されている。固体レーザ結晶１３は、添加物としてＮｄドープをしたＹＡＧ結晶が用いられている。ここで、Ｎｄ濃度は１．０ａｔ％とされている。ここで、固体レーザ結晶１３のサイズは、幅３ｍｍ×長さ１０ｍｍで厚みは０．８ｍｍとされている。当該結晶側面や端面は全て光学研磨が施されている。
【０１４９】
また、固体レーザ結晶１３の表裏面には、図７に示すようなコーティング１６，１７が施されている。固体レーザ結晶１３の裏面側のコーティング１７は、Ｎｄ:ＹＡＧ結晶の発振波長である１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍに対して全て高反射（９９．９
％以上）の反射率として全面的に形成されている。一方、固体レーザ結晶１３の表面のコーティング１６に関しては、図７（ａ）に１６ａ〜１６ｃで示すように３つの領域に分けて円形形状にコーティングが施されており、これにより発振波長条件を異ならせた３つの共振器１５ａ〜１５ｃが形成されている。ここで、固体レーザ結晶１３の表面側のコーティング１６に関しては、コーティング１６ａは１３１９ｎｍ発振用（１３１９ｎｍに対して反射率約９８％、１０６４ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））とされている。コーティング１６ｂは１０６４ｎｍ発振用（１０６４ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング１６ｃは９４６ｎｍ発振用（９４６ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと１０６４ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））である。
【０１５０】
非線形光学結晶１４は、１４ａ〜１４ｃで示す３つが設けられ、周期的分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶であり、２ｍｍ×３ｍｍの開口を有し、厚さ２ｍｍとされている。分極反転の周期方向は、レーザ出力方向と垂直方向としている。ここで、各々の共振器１５ａ〜１５ｃでの発振波長に対してＳＨＧ出力を得るために、各Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶の分極反転周期は、１２．９μｍ（１３１９ｎｍ用）、７．０μｍ（１０６４ｎｍ用）、４．８μｍ（９４６ｎｍ用）となっており、各々の共振器１５ａ〜１５ｃの出射方向外部に配置されている。
【０１５１】
このような構成の半導体レーザ励起固体レーザ装置１の動作を説明する。半導体レーザ１１ａ〜１１ｃより出射されたレーザ光は、集光用マイクロレンズ素子１２を通して、固体レーザ結晶１３に入射される。固体レーザ結晶１３に半導体レーザ１１ａ〜１１ｃからのレーザ光が入射されることによって、マイクロチップ構成のレーザ結晶１３が励起され、共振器１５ａ〜１５ｃによって各々の波長（１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍ）のレーザが各々発振する。マイクロチップレーザから各々出射されたレーザ光は、各々に対応した周期分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3（結晶非線形光学結晶１４）へ入射する。Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶ではレーザ光を第２高調波へ変換し、出力として、ＳＨＧ出力が得られることになる。
【０１５２】
このように本実施例においては、単一の固体レーザ結晶１３材料から、波長の異なる複数のレーザ出力を得る構成とされており、高出力で高品質なレーザ出力を得ることができる。また、共振器１５ａ〜１５ｃの外に、周期分極反転構造を形成した非線形光学結晶１４が配置されているので、より短波長な多波長光源を達成できる上に、周期分極反転構造を採用しているので、非線形光学結晶１４の特性が安定した素子を安価に提供することができる。これにより、出力の安定化とコスト低減化とを実現できる。また、各共振器１５ａ〜１５ｃに対応した個別の半導体レーザ１１ａ〜１１ｃを励起用光源として用い、且つ、これらの半導体レーザ１１ａ〜１１ｃからのレーザ光を、マイクロレンズ１２ａ〜１２ｃを用いて集光させているので、励起用のレーザ光の集光効率が向上し、レーザ出力効率が向上し、且つ、集光用マイクロレンズ素子１２により集光を行うので装置の小型化も可能となる。
【実施例７】
【０１５３】
本発明の実施例７を図８及び図９に基づいて説明する。本実施例は、多波長レーザ光源として適用される半導体レーザ励起固体レーザ装置への適用例を示し、図８はその原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図、図９はその固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【０１５４】
本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置２０は、３つの半導体レーザ（励起用半導体レーザレイ素子）２１ａ〜２１ｃ、これらの半導体レーザ２１ａ〜２１ｃ毎のマイクロレンズ２２ａ〜２２ｃを有する集光用マイクロレンズ素子２２、単一の固体レーザ結晶（固体レーザ材料）２３及び非線形光学結晶（非線形光学素子、波長変換素子）２４により構成されている。単一の固体レーザ結晶２３に対しては後述するように各々発振波長条件を異ならせた３つの共振器２５ａ〜２５ｃが設けられている。
【０１５５】
半導体レーザ２１ａ〜２１ｃとしては、単一ビーム発振で、波長８０８ｎｍ、出力約２Ｗの半導体レーザが用いられている。集光用マイクロレンズ素子２２は、石英により作製され、固体レーザ結晶２３の各共振器２５ａ〜２５ｃの中心付近にビームウエストがくるように、集光を行うレンズとして構成されている。固体レーザ結晶２３としては、図９に示すように、中央付近に添加物としてＮｄドープをしたＹＡＧ結晶２６を配置し、その周辺をノンドープのＹＡＧ結晶を配置した、コンポジットＹＡＧ結晶が採用されている。ここで、ＮｄドープのＹＡＧ結晶２６部分のＮｄ濃度は１．０ａｔ％とされている。固体レーザ結晶２３のサイズは３ｍｍ×１０ｍｍで厚み０．８ｍｍとされており、中央部分の１ｍｍを帯状にＮｄがドープされた結晶とされている。結晶側面や端面は全て光学研磨が施されている。
【０１５６】
また、固体レーザ結晶２３の表裏両面には、図９に示すようなコーティング２７，２８が施されている。固体レーザ結晶２３の裏面側のコーティング２８は、Ｎｄ:ＹＡＧ結晶の発振波長である、１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍに対して全て高反射（９９．９％以上）の反射率のコーティングとされている。一方、固体レーザ結晶２３表面側のコーティング２７に関しては、２７ａ〜２７ｃで示すように３つの領域に分けてコーティングが施されており、これにより発振波長条件を異ならせた３つの共振器２５ａ〜２５ｃが形成されている。ここで、固体レーザ結晶２３表面側のコーティング２７ａ〜２７ｃに関して、コーティング２７ａは１３１９ｎｍ発振用（１３１９ｎｍに対して反射率約９８％、１０６４ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング２７ｂは、１０６４ｎｍ発振用（１０６４ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング２７ｃは、９４６ｎｍ発振用（９４６ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと１０６４ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））として構成されている。
【０１５７】
非線形光学結晶２４は、周期的分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶であり、２ｍｍ×９ｍｍの開口を有し、厚さ２ｍｍとしている。分極反転の周期方向は、レーザ出力方向と垂直方向としている。ここで、各々の共振器２５ａ〜２５ｃでの発振波長に対してのＳＨＧ出力を得るために、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶の分極反転周期は、一つの結晶に対して、１２．９μｍ（１３１９ｎｍ用）、７．０μｍ（１０６４ｎｍ用）、４．８μｍ（９４６ｎｍ用）の３種類となっており、各々の共振器２５ａ〜２５ｃの外部に周期を対応させ配置している。
【０１５８】
このような構成において、本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置２０の動作を説明する。半導体レーザ２１ａ〜２１ｃより出射されたレーザ光は、集光用マイクロレンズ素子２２を通して、固体レーザ結晶２３に入射する。固体レーザ結晶２３にレーザ光が入射されることによって、マイクロチップ構成の固体レーザ結晶（Ｎｄがドープされた部分２６）が励起され、前述の共振器２５ａ〜２５ｃ構成によって各々の波長（１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍ）のレーザが発振する。マイクロチップレーザから各々出射されたレーザ光は、各々に対応した周期分極反転構造が作製されたＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶（非線形光学結晶２４）へ入射する。Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶（非線形光学結晶２４）ではレーザ光を第２高調波への変換が行われ、出力として、ＳＨＧ出力が得られることになる。
【０１５９】
このように本実施例においては、単一の固体レーザ結晶２３材料から、複数のレーザ出力を得る構成とされており、高出力で高品質なレーザ出力を得ることができる。また、共振器２５ａ〜２５ｃに対応させる形状で、レーザ発振に寄与する添加物濃度を変化させることにより、余分な励起光の吸収が無くなり、レーザ発振光と励起光のモードマッチング効率が向上し、レーザ発振に必要なエネルギー効率（励起効率や放熱効率）を向上させることができる。また、共振器２５ａ〜２５ｃの外に、異なる周期分極反転構造を形成した、一つの非線形光学結晶２４を配置しているので非線形光学結晶２４により達成することにより、非線形光学結晶２４の特性の安定した素子を安価に提供することができる。
これにより、出力の安定化とコスト低減化を図れる。また、各共振器２５ａ〜２５ｃに対応した半導体レーザ２１ａ〜２１ｃを励起光源に用い、且つ、そのレーザ光を、マイクロレンズ２２ａ〜２２ｃを用いて集光させているので、レーザ光の集光効率が向上し、レーザ出力効率を向上させることができる上に、集光用マイクロレンズ素子２２により集光を行うので装置の小型化も図ることができる。
【実施例８】
【０１６０】
本発明の実施例８を図１０及び図１１に基づいて説明する。本実施例は、多波長レーザ光源として適用される半導体レーザ励起固体レーザ装置への適用例を示し、図１０はその原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図、図１１はその固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【０１６１】
本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置３０は、一つの半導体レーザレイ（励起用半導体レーザレイ素子）３１、この半導体レーザレイ３１中の複数の半導体レーザ毎に設けられた３つのマイクロレンズ３２ａ〜３２ｃを有する集光用マイクロレンズ素子３２、単一の固体レーザ結晶（固体レーザ材料）３３及び非線形光学結晶（非線形光学素子、波長変換素子）３４により構成されている。単一の固体レーザ結晶３３に対しては後述するように各々発振波長条件を異ならせた３つの共振器３５ａ〜３５ｃが設けられている。
【０１６２】
半導体レーザレイ３１としては、そのアレイ中の複数の半導体レーザが波長８０８ｎｍ、出力約１０Ｗのデバイスが用いられている。集光用マイクロレンズ素子３２は、石英により作製され、半導体レーザレイ３１より出射された複数本のレーザ光（ここでは、３本）を固体レーザ結晶３３の各共振器３５ａ〜３５ｃの中心付近に、ビームウエストがくるように、集光を行うレンズとして構成されている。固体レーザ結晶３３は、図１１に示すように、中央付近に添加物ＮｄドープをしたセラミックスＹＡＧ結晶３６が配置され、その周辺にノンドープのセラミックスＹＡＧ結晶が配置されたセラミックスＹＡＧ結晶構造が採用されている。ここで、３６部分のＮｄ濃度は１．０ａｔ％とされている。固体レーザ結晶３３のサイズは、３ｍｍ×１０ｍｍで厚み０．８ｍｍとされており、ＮｄドープのセラミックスＹＡＧ結晶３６部分では直径１ｍｍにＮｄがドープされた結晶とされている。結晶側面や端面は全て光学研磨を施している。
【０１６３】
また、固体レーザ結晶３３の表裏両面には、図１１に示すようなコーティング３７，３８が施されている。固体レーザ結晶３３の裏面のコーティング３８は、Ｎｄ:ＹＡＧ結晶の発振波長である１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍに対して全て高反射（９９．９％以上）の反射率とされている。一方、固体レーザ結晶３３表面のコーティング３７に関しては、３７ａ〜３７ｃで示すように３つの領域に分けてコーティングが施されており、これにより発振波長条件を異ならせた３つの共振器３５ａ〜３５ｃが形成されている。ここで、固体レーザ結晶３３表面のコーティング３７ａ〜３７ｃに関しては、コーティング３７ａは１３１９ｎｍ発振用（１３１９ｎｍに対して反射率約９８％、１０６４ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング３７ｂは１０６４ｎｍ発振用（１０６４ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング３７ｃは９４６ｎｍ発振用（９４６ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと１０６４ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））で構成している。非線形光学結晶３４は、周期的分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶であり、２ｍｍ×９ｍｍの開口を有し、厚さ２ｍｍとされている。分極反転の周期方向は、レーザ出力方向と垂直方向としている。ここで、各々の共振器３５ａ〜３５ｃでの発振波長に対してのＳＨＧ出力を得るために、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶の分極反転周期は、一つの結晶に対して、１２．９μｍ（１３１９ｎｍ用）、７．０μｍ（１０６４ｎｍ用）、４．８μｍ（９４６ｎｍ用）の３種類となっており、各々の共振器３５ａ〜３５ｃでの外部に、周期を対応させ配置している。
【０１６４】
次に、本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置３０の動作を説明する。半導体レーザレイ３１より出射されたレーザ光は、集光用マイクロレンズ素子３２を通して、固体レーザ結晶３３に入射される。固体レーザ結晶３３にレーザ光が入射されることによって、マイクロチップ構成の固体レーザ結晶（Ｎｄがドープされた部分３６）が励起され、前述の共振器３５ａ〜３５ｃ構成によって各々の波長（１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍ）のレーザが各々発振する。マイクロチップレーザから各々出射されたレーザ光は、各々に対応した周期分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶（結晶非線形光学結晶３４）へ入射する。Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶ではレーザ光を第２高調波への変換が行われ、出力として、ＳＨＧ出力が得られることになる。
【０１６５】
このように本実施例においては、単一の固体レーザ結晶３３材料から、複数のレーザ出力を得る構成とされているので、高出力で高品質なレーザ出力を得ることができる。また、多結晶材料を用い、共振器３５ａ〜３５ｃに対応させる形状で、レーザ発振に寄与する添加物濃度を変化させることにより、レーザ発振光と励起光のモードマッチング効率が向上し、レーザ発振に必要なエネルギー効率（励起効率や放熱効率）が向上し、且つ、セラミックス材料を使用することで、材料の低コスト化が可能となる。また、共振器３５ａ〜３５ｃの外に、異なる周期分極反転構造を形成した一つの非線形光学結晶３４が配置されているので、より短波長な多波長光源を達成できるだけでなく、周期分極反転構造を採用し、一つの結晶により達成することにより、非線形光学結晶３４の特性の安定した素子を安価に提供することができる。これにより、出力の安定化とコスト低減化を図ることができる。また、一つ以上の半導体レーザレイ３１を励起光源に用い、且つ、そのレーザ光を、マイクロレンズ３２ａ〜３２ｃを用いて各共振器３５ａ〜３５ｃに対応した領域に集光させているので、レーザ光の光量増加による出力増加と集光効率の向上とを図ることができ、レーザ出力効率を向上させることができ、且つ、集光用マイクロレンズ素子３２により集光を行うので装置の小型化も図ることができる。
【実施例９】
【０１６６】
本発明の実施例９を図１２及び図１３に基づいて説明する。本実施例は、多波長レーザ光源として適用される半導体レーザ励起固体レーザ装置への適用例を示し、図１２はその原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図、図１３はその固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【０１６７】
本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置４０は、一つの半導体レーザレイ（励起用半導体レーザレイ素子）４１、この半導体レーザレイ４１中の複数の半導体レーザ毎に設けられた３つのマイクロレンズ４２ａ〜４２ｃを有する集光用マイクロレンズ素子４２、単一の固体レーザ結晶（固体レーザ材料）４３及び非線形光学結晶（非線形光学素子、波長変換素子）４４により構成されている。単一の固体レーザ結晶４３に対しては後述するように各々発振波長条件を異ならせた３つの共振器４５ａ〜４５ｃが設けられている。
【０１６８】
半導体レーザレイ４１としては、そのアレイ中の複数の半導体レーザが波長８０８ｎｍ、出力約１０Ｗのデバイスが用いられている。集光用マイクロレンズ素子４２は、石英により作製され、半導体レーザレイ４１より出射された複数本のレーザ光（ここでは、３本）を固体レーザ結晶４３の各共振器４５ａ〜４５ｃの中心付近に、ビームウエストがくるように、集光を行うレンズとして構成されている。固体レーザ結晶４３は、図１３に示すように、中央付近に添加物ＮｄドープをしたセラミックスＹＡＧ結晶４６が配置され、その周辺にノンドープのセラミックスＹＡＧ結晶が配置されたセラミックスＹＡＧ結晶構造が採用されている。ここで、４６部分のＮｄ濃度は１．０ａｔ％とされている。固体レーザ結晶４３のサイズは、３ｍｍ×１０ｍｍで厚み０．８ｍｍとされており、ＮｄドープのセラミックスＹＡＧ結晶４６部分では直径１ｍｍにＮｄがドープされた結晶とされている。結晶側面や端面は全て光学研磨を施している。
【０１６９】
また、固体レーザ結晶４３の裏面には、図１３に示すようなコーティング４７が施されている。固体レーザ結晶４３の裏面のコーティング４７は、Ｎｄ:ＹＡＧ結晶の発振波長である１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍに対して全て高反射（９９．９％以上）の反射率とされている。一方、固体レーザ結晶４３表面側のコーティングに関しては、コーティングが施されていない。
【０１７０】
非線形光学結晶４４は、周期的分極反転構造を作製したＭｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶であり、２ｍｍ×９ｍｍの開口を有し、厚さ２ｍｍとされている。分極反転の周期方向は、レーザ出力方向と垂直方向としている。ここで、各々の共振器４５ａ〜４５ｃでの発振波長に対してのＳＨＧ出力を得るために、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ3結晶の分極反転周期は、一つの結
晶に対して、１２．９μｍ（１３１９ｎｍ用）、７．０μｍ（１０６４ｎｍ用）、４．８μｍ（９４６ｎｍ用）の３種類となっており、各々の共振器４５ａ〜４５ｃの内部に、周期構造を対応させて配置している。そして、発振波長条件を異ならせた共振器４５ａ〜４５ｃを形成するために、レーザ出射端面には、以下のコーティング４８ａ〜４８ｃが形成されている。コーティング４８ａは１３１９ｎｍ発振用（１３１９ｎｍに対して反射率約９８％、１０６４ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング４８ｂは、１０６４ｎｍ発振用（１０６４ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと９４６ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））であり、コーティング４８ｃは、９４６ｎｍ発振用（９４６ｎｍに対して反射率約９８％、１３１９ｎｍと１０６４ｎｍに対しては全透過（透過率約１００％））で構成している。
【０１７１】
次に、本実施例の半導体レーザ励起固体レーザ装置４０の動作を説明する。半導体レーザレイ４１より出射されたレーザ光は、集光用マイクロレンズ素子４２を通して、固体レーザ結晶４３に入射する。固体レーザ結晶４３にレーザ光が入射されることによって、マイクロチップ構成のレーザ結晶（Ｎｄがドープされた部分４６）が励起され、前述の共振器４５ａ〜４５ｃ構成によって各々の波長（１３１９ｎｍ，１０６４ｎｍ，９４６ｎｍ）のレーザが各々発振する。ここで、共振器４５ａ〜４５ｃ内部に非線形光学結晶４４が配置されているので、高い共振器内部パワーを利用して波長変換が行われ、出力として、ＳＨＧ出力が得られることになる。
【０１７２】
このように本実施例においては、単一の固体レーザ結晶４３材料から、複数のレーザ出力を得る構成とされているので、高出力で高品質なレーザ出力を得ることができる。また、多結晶材料を用い、共振器４５ａ〜４５ｃに対応させる形状で、レーザ発振に寄与する添加物濃度を変化させることにより、レーザ発振光と励起光のモードマッチング効率が向上し、レーザ発振に必要なエネルギー効率（励起効率や放熱効率）が向上し、且つ、セラミックス材料を使用することで、材料の低コスト化が可能となる。また、共振器４５ａ〜４５ｃ内に、異なる周期分極反転構造を形成した一つの非線形光学結晶４４が配置されているので、より短波長な多波長光源を達成できるだけでなく、周期分極反転構造を採用し、一つの結晶により達成することにより、非線形光学結晶の特性の安定した素子を安価に提供することができる。これにより、出力の安定化とコスト低減化が可能となる。また、一つ以上の半導体レーザレイ４１を励起光源に用い、且つ、レーザ光を、マイクロレンズ４２ａ〜４２ｃを用いて各共振器４５ａ〜４５ｃに対応した領域に集光させているので、レーザ光の光量増加による出力増加と、集光効率が向上し、レーザ出力効率を向上させることができる上に、集光用マイクロレンズ素子４２により集光を行うので装置の小型化も可能となる。
【０１７３】
以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明は、上記各実施例で例示した材料や構成に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、励起用半導体レーザはレーザ結晶の吸収波長によって変更される。また、Ｎｄドープの場合でも、８８０ｎｍ付近の半導体レーザを用いても励起できる。また、レーザ結晶に関しても、ＹＡＧを用いているが、ＹＶＯ4やＧｄＶＯ4、ＬＳＢなどの結晶でも良い。また、非線形光学結晶に関しても、他のバルク結晶（ＫＴＰやＬＢＯ）やＬｉＴａＯ4などの分極反転構造デバイスなども使用できる。また各実施例においては、結晶の片方向又は両方向よりレーザ光を入射させているが、それに限らず、別の方向からも励起できる。また、半導体レーザレイ素子用の光学素子として、マイクロレンズを示したが、それに限定するものではなく、マイクロレンズ構成に関しても、２面構成を示したが、さらに面数を増加或いは減少させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１７４】
【図１】（ａ）は実施例１の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【図２】（ａ）は実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【図３】（ａ）は実施例３の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【図４】（ａ）は実施例４の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【図５】（ａ）は実施例５の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を、（ｂ）はレーザ材料の構成（正面と側面）を、（ｃ）は波長変換素子の構成（正面と側面）を、それぞれ示した図である。
【図６】本発明の実施例６の半導体レーザ励起固体レーザ装置の原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図７】その固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図８】本発明の実施例７の半導体レーザ励起固体レーザ装置の原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図９】その固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１０】本発明の実施例８の半導体レーザ励起固体レーザ装置の原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１１】その固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１２】本発明の実施例９の半導体レーザ励起固体レーザ装置の原理的構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１３】その固体レーザ結晶構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図１４】本発明の実施例２及び実施例４の動作における、偏光等の状況についての原理を示す図である。
【符号の説明】
【０１７５】
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０    実装基板
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０    励起用半導体レーザレイ素子
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０    マイクロレンズ素子
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０    レーザ材料
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０    波長変換素子
１１ａ〜１１ｃ、２１ａ〜２１ｃ、３１、４１    半導体レーザレイ素子
１２ａ〜１２ｃ、２２ａ〜２２ｃ、３２ａ〜３２ｃ、４２ａ〜４２ｃ    マイクロレンズ
１３、２３、３３、４３    固体レーザ結晶（レーザ材料）
１４、２４、３４、４４    非線形光学結晶（非線形光学素子）
１５ａ〜１５ｃ、２５ａ〜２５ｃ、３５ａ〜３５ｃ、４５ａ〜４５ｃ    共振器
１４１、１４２、２４１、２４２、３４１、３４２、４４１、４４２、５４１、５４２    領域
１６０、２６０、２７０、２８０、３６０、３７０、３８０、４６０、４７０、４８０、５６０、５７０、５８０    レーザ出力
【図１】
2006237540.tif 000003
【図２】
2006237540.tif 000004
【図３】
2006237540.tif 000005
【図４】
2006237540.tif 000006
【図５】
2006237540.tif 000007
【図６】
2006237540.tif 000008
【図７】
2006237540.tif 000009
【図８】
2006237540.tif 000010
【図９】
2006237540.tif 000011
【図１０】
2006237540.tif 000012
【図１１】
2006237540.tif 000013
【図１２】
2006237540.tif 000014
【図１３】
2006237540.tif 000015
【図１４】
2006237540.tif 000016